Журнал «Травма» Том 9, №2, 2008

Согласно данным литературы, для запуска и успешного течения репаративных процессов при переломах необходимо выполнять следующие общепризнанные условия: анатомическое сопоставление и фиксация перелома, сохранение кровообращения тканей, ранняя мобилизация поврежденного сегмента и всего организма.

Однако, несмотря на стремление травматологов к выполнению этих условий, неудовлетворительные результаты лечения пострадавших вынуждают постоянно совершенствовать методы остеосинтеза. При этом их поиск происходит, преимущественно, в направлении оптимизации существующих и разработки новых конструкций для фиксации фрагментов поврежденной кости. То есть доминирует механистический подход, который не позволяет окончательно решить данную проблему.

Мы предлагаем свое видение существующей проблемы с механо-биохимической позиции.    

1. Биологическое обоснование концепции

С позиций биомеханики, организм человека представляет собой деформируемое тело, которое на воздействие окружающей среды реагирует тем или иным способом. Особый интерес для нас представляет реакция опорных тканей, в частности кости [1].  О том, что костная ткань обладает собственными внутренними напряжениями, известно более 20 лет [2,3], однако практического значения эти знания не приобрели. Исследователи представляли их «средством самоупрочнения кости как конструкции при гравитационных воздействиях».

И действительно, анализ расположения костных балок и пластинок в метафизарных отделах длинных костей показывает, что архитектоника костного вещества соответствует основным  силовым напряжениям, возникающим в кости при выполнении ею локомоторных функций [4,5]. А поскольку формирование костных структур происходит  на протяжении  всей жизни организма, следует полагать, что остеогенезом управляют определенные физиологические механизмы, которые пока неизвестны.

Целью данной работы является построение концепции внутренних напряжений опорных структур и их роль в возникновении и течении репаративных процессов. В качестве модели использована костная ткань и процессы остеогенеза, однако данные построения справедливы для любых опорных структур.

Кость обладает уникальным свойством хрупкого материала, обнаруживая низкое отношение прочности на растяжение к прочности на сжатие. В то же время, кость имеет чрезвычайно высокую прочность на растяжение по сравнению с другими хрупкими материалами. Прочность кости на сжатие больше чем на растяжение на 50-60%, что характеризует кость как композитный материал. Эта особенность костной ткани в сопоставлении с многочисленными данными по исследованию топографии силовых напряжений в различных костях дает основание утверждать, что физиологической нагрузкой на кость является сжатие [6].

Изучение физических основ прочности кристаллических тел и полимеров на молекулярном уровне показало, что при механических растягивающих нагрузках происходит возмущение межатомных связей. При этом наряду с межатомными связями, имеющими определенное среднее значение напряжений, возникают и перенапряженные связи, в которых напряжения значительно превосходят уровень средних. В результате возникает возможность разрыва этих механически возбужденных межатомных связей с образованием свободных радикалов. Установлено, что концентрация этих радикалов (обрывки молекул со свободными связями) стоит в прямой зависимости от величины механического напряжения и времени его действия (цит. по [6]).

Следует полагать, что в костной ткани при субкритических нагрузках происходят аналогичные или близкие к ним процессы. Однако в живой костной ткани в условиях механических нагрузок, не приводящих к разрушению (переломам), ликвидация разрывов межатомных связей осуществляется за счет постоянно протекающих обменных процессов - репарации костной ткани.

То есть реакция на действие механических напряжений является фундаментальным свойством опорных тканей, проявляющимся в виде восприятия, поглощения,  перераспределения энергии механических нагрузок и преобразования ее в активность биохимических процессов.

Кроме непосредственного механического воздействия на клетку, напряжения вызывают усиление гемопоэтической функции костного мозга, эффективность работы которого определяется степенью механического напряжения  и способствует увеличению пула недифференцированных остеогенных клеток [7]. Следовательно, можно говорить о влиянии механических напряжений на репаративный процесс уже на ранних его стадиях.

При определенных условиях механические напряжения могут способствовать дифференцировке мезенхимальных клеток. Например, недифференцированные мезенхимальные клетки при  растяжении в присутствии кислорода становятся фибробластами,  в присутствии СО2 и  сжимающих нагрузок они приобретают фенотип, свойственный хрящевым клеткам, а в присутствии кислорода  под действием сжимающих нагрузок  превращаются в  остеобласты [8].

Изменяющееся в процессе нагрузки напряжение костной ткани вызывает индуцированные потоком жидкости в лакунарно-канальциевой системе кости срезывающие напряжения. Костные клетки, в частности остеоциты, отвечают на это раздражение продукцией простагландинов, увеличением экспрессии мРНК циклооксигеназы-2 (основной фермент синтеза простагландинов), увеличением концентрации цАМФ, инозитолтрифосфата, костных белков и внутриклеточного Са2+ [8-11]. Механические напряжения через ряд ферментативных превращений приводят также к усилению экспрессии костноспецифических генов [12,13]. 

Являясь композиционной структурой, костная ткань при нагружении демонстрирует возникновение пьезоэлектрического эффекта [14-16]. Известно, что электрические потенциалы, возникающие в костной ткани при ее нагружении, имеют важное значение для процессов моделирования и ремоделирования. При сгибании кости на ее вогнутой стороне возникают отрицательные потенциалы, а на выпуклой - положительные. В эксперименте с подведением электродов к кости в зоне действия положительно заряженного электрода костная масса рассасывалась, а отрицательного – увеличивалась [6].

Возникающее в результате пьезоэффекта электрическое поле способствует ориентации коллагеновых молекул вдоль силовых линий, ускоряет агрегацию молекул и отложение гидроксилапатита, изменяет биохимические процессы.

Таким образом, мы можем говорить о наличии переменных напряжений в кости как об обязательном  условии физиологической деятельности костной ткани. 

2. Клиническое обоснование концепции.

Остеосинтез большинством учебников и практических  руководств определен как способ искусственного механического соединения костных фрагментов при помощи специальных дополнительных устройств. Однако, с позиций вышесказанного, определение необходимо дополнить тезисом, что основной биологический смысл остеосинтеза - это создание механических условий для возникновения внутренних напряжений опорных структур.   Данное утверждение определяется следующими фактами:

• Опорная функция кости – это ее основное предназначение, ее структура и функция предопределены для несения осевой нагрузки и противодействию гравитационным силам [1,4].
•  Неповрежденная костная ткань имеет собственные внутренние напряжения [3,6], которые выполняют функции энергетического преобразователя; они выступают в роли аккумулятора и преобразователя внешних механических нагрузок, переводя энергию внешних нагрузок во внутреннюю энергию биохимических реакций, пьезоэлектрических и гидродинамических эффектов и др. виды внутренних энергоемких процессов.
• Механические нагрузки являются одним из важнейших раздражителей для запуска процессов репарации [21,22].
•  Циклические знакопеременные нагрузки в виде сжатия-растяжения путем целого ряда биофизических и биохимических эффектов (пьезоэлектрический эффект, гидродинамический эффект, изменения срезывающих напряжений в костной ткани, индуцированные потоком жидкости в лакунарно-канальцевой системе и т.д.) влияют на выработку биологически активных веществ и регулируют обменные процессы в костной ткани, путем моделирования-ремоделирования [19,20].

Рассматривая с точки зрения приведенных фактов ранее изложенные условия успешного течения репаративных процессов, необходимо отметить, что эти условия направлены на обеспечение появления внутренних напряжений опорных тканей, возникающих под влиянием различных механических сигналов. В дальнейшем последние  трансформируются в различные биохимические реакции, обеспечивающие запуск и развитие репаративных процессов. Более того, нормальная кость в ходе функционального моделирования-ремоделирования оптимизирует свою структуру, адаптируя упрочняющие элементы биологического композиционного материала, которыми являются коллагеновые волокна, соответственно траекториям главных напряжений кости [4]. Исходя из этого, можно сделать вывод, что оптимизация сращения – это создание для регенерата условий реализации нормальных (физиологических) напряжений, т.е. условий воссоздания внутренних напряжений, аналогичных таковым до травмы. То есть применяемый фиксатор должен стабилизировать фрагменты и при этом сила его воздействия на костную ткань должна вызывать в ней адекватные напряжения. В противном случае отсутствие или недостаточное по силе напряжение не позволит развиваться репаративным прцессам.

Яркой иллюстрацией этой позиции, с нашей точки зрения, являются проблемы остеосинтеза при лечении больных с нарушением плотности костной ткани.  В частности, проблемы репарации возникают при лечении переломов шейки бедренной кости у лиц пожилого возраста. Неудовлетворительные результаты лечения переломов у данной категории больных связывают с нарушением кровообращения в шейке бедра, а также выраженными явлениями остеопороза. Наличие остеопороза при этом рассматривают, в основном, как причину возникновения перелома. Почему столь неуспешны попытки остеосинтеза у этих пострадавших? С нашей точки зрения, отрицательный результат лечения связан с морфологической несостоятельностью костной ткани шейки бедра (резкое снижение плотности ткани), не  позволяющее при остеосинтезе вызвать необходимое для запуска репаративных процессов внутреннее напряжение опорных тканей.

При остеосинтезе эти напряжения можно обеспечить путем:

1. предварительного напряжения конструкции;
2. создания особых внешних механических нагрузок в послеоперационном периоде;
3. любых воздействий, вызывающих гидродинамические, пьезоэлектрические и другие биофизические эффекты.

Таким образом, современный уровень знаний позволяет сделать заключение, что все существующие в мире процессы характеризуются пространственно-временными изменениями массы, энергии и информации (Власов, 2002). Процесс сращения с позиций концепции внутренних напряжений хорошо вписывается в подобное заключение. Пространственно-временные изменения массы – это не что иное, как катаболическая фаза (некроз и элиминация продуктов распада) после перелома, который сменяется образованием регенерата и его изменением в процессе репаративной регенерации. А информационно-энергетические преобразования - это именно восстановление внутренних напряжений кости, которые и представляют собой своеобразную форму потенциальной энергии, заложенной в нормальной кости, мерой необходимого накопления которой является разница между величиной внутренних напряжений регенерата и величиной внутренних напряжений нормальной кости.

Условия выполнения  остеосинтеза при диафизарных переломах длинных костей с позиции концепции внутренних напряжений опорных структур.

Принципы остеосинтеза диафизарных переломов длинных костей с позиций внутренних напряжений опорных структур предусматривают создание переменных напряжений в костной ткани, статических напряжений костной ткани, т.е. восстановление опорности кости как органа, и динамических напряжений костной ткани, определяющих запуск репаративных процессов. Поэтому:

1. Остеосинтез при свежих простых переломах должен восстанавливать напряжения костной ткани за счет упругой деформации зоны перелома. Лучше всего этому требованию соответствует:

• остеосинтез с осевой динамизацией (интрамедуллярный в динамическом режиме, накостный специальными конструкциями, обеспечивающими осевую динамизацию );
• упругий остеосинтез аппаратами внешней фиксации (лучше на основе спиц) или специальными конструкциями.

2. Остеосинтез при свежих оскольчатых переломах основной целью должен преследовать сохранение оси сегмента и упругих деформаций зоны перелома. Лучше всего этому требованию соответствует:

• упругий остеосинтез аппаратами внешней фиксации;
• интрамедуллярный в фиксационном  режиме;
• накостный специальными конструкциями (мостовидный ОС).

3. Остеосинтез при замедленно срастающихся переломах может быть упругим, так как после оперативной репозиции и соединения отломков в зоне перелома будет повторный очаг разрушения и, по сути, мы имеем снова модель свежего перелома, где переменные напряжения будут восстанавливаться за счет упругих деформаций регенерата. Этот остеосинтез может быть жестким, так как строительного материала уже накоплено достаточно и возможно первичное костное сращение, при котором напряжения кости восстановятся гораздо позже, но сращение перелома наступит за счет ранее накопленных регенератов. Этим требованиям соответствуют:

• остеосинтез с осевой динамизацией (интрамедуллярный в динамическом режиме, накостный специальными конструкциями, обеспечивающими осевую динамизацию);
• упругий остеосинтез аппаратами внешней фиксации (лучше на основе спиц) или специальными конструкциями;
• жесткий накостный остеосинтез или интрамедуллярный в режиме компрессии;
• жесткий остеосинтез аппаратами внешней фиксации (лучше на основе стержней).

Выводы

1. Предложенная концепция внутренних напряжений опорных структур на примере костной ткани может быть сформулирована следующим образом:
   • Внутренние переменные напряжения кости являются показателем информационно-энергетических характеристик пространственно-временных изменений массы опорного сегмента.
   • Переменные внутренние напряжения – необходимое механическое свойство кости как органа опоры.
   • Динамические внутренние напряжения выступают в роли аккумулятора и преобразователя внешних механических нагрузок, переводя их энергию во внутреннюю энергию биохимических, пьезоэлектрических, гидродинамических и др. внутренних энергоемких процессов.
   • Статические внутренние напряжения выступают в роли информационного обеспечения процессов моделирования и ремоделирования кости путем изменения структуры внутренних напряжений под действием внешней нагрузки, определяя зоны резорбции в местах снижения напряжений кости и зоны остеогенеза в местах повышения внутренних напряжений костной ткани.

2. Выбор метода остеосинтеза зависит от подбора оптимальных внутренних напряжений опорных тканей.